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인쇄 회로 기판(PCB) 제조 공정은 완제품의 성능을 보장하기 위해 복잡한 절차를 필요로 합니다. 회로 기판은 단면, 양면, 다층 구조일 수 있으며, 첫 번째 층 생산 이후 공정에서 차이가 발생합니다. PCB 구조의 차이에 따라 20단계 이상의 공정이 필요할 수 있습니다.
필요한 공정 수는 PCB 복잡도와 비례합니다. 어떤 단계든 생략하거나 축소하면 회로 기판 성능에 악영향을 미칠 수 있습니다. 그러나 성공적으로 완료되면 PCB는 핵심 전자 부품으로서 제 역할을 수행합니다.
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PCB는 네 가지 주요 부분으로 구성됩니다:
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이제 PCB 기본 구조를 이해했으니, PCB 제작 전 과정을 단계별로 살펴보겠습니다.
PCB 설계 공정은 설계와 검증으로 시작하여 회로 기판 제작까지 이어집니다. 많은 단계에서 컴퓨터 가이드와 기계 구동 도구가 필요하여 정확성을 보장하고 단락이나 미완성 회로를 방지합니다. 완성된 보드는 포장 및 출하 전 엄격한 테스트를 거쳐야 합니다.
모든 PCB 제조의 시작은 설계입니다. PCB 제조와 설계는 항상 계획에서 출발합니다. 설계자는 명시된 모든 요구사항을 충족하는 PCB 청사진을 배치합니다. PCB 설계자가 가장 흔히 사용하는 소프트웨어는 익스텐디드 거버(Extended Gerber, IX274X)입니다.
PCB 설계에서 익스텐디드 거버는 출력 포맷 역할도 하므로 탁월합니다. 구리 층 수, 필요한 솔더 마스크 수, 부품 표기법 등 설계자가 필요한 모든 정보를 인코딩합니다. 거버 소프트웨어로 설계 청사진이 인코딩되면, 모든 설계 요소를 검토하여 오류가 없는지 확인합니다.
설계자 검토가 완료되면 완성된 PCB 설계는 PCB 제작소로 보내집니다. 도착하면 제작소에서 제조 가능성 설계(DFM) 검사라는 2차 검사를 수행합니다. 적절한 DFM 검사는 PCB 설계가 최소한의 제조 공차 요건을 충족하는지 확인합니다.
PCB 제작 공정의 또 다른 핵심 단계는 설계의 잠재적 오류나 결함을 확인하는 것입니다. 엔지니어가 PCB 설계의 모든 부분을 검토하여 누락된 부품이나 잘못된 구조가 없는지 확인합니다. 엔지니어 승인 후 설계는 인쇄 단계로 넘어갑니다.
모든 검사가 완료되면 PCB 설계를 인쇄합니다. 건축 도면처럼 일반 A4 용지에 인쇄하지 않습니다. 대신 플로터 프린터(plotter printer)라는 특수 프린터를 사용합니다. 플로터 프린터는 PCB의 '필름'을 만드는데, 이는 과거 학교에서 쓰던 투명 필름과 유사하며 보드 자체의 포토 네거티브입니다.
PCB 내부 층은 두 가지 잉크 색상으로 표현됩니다:
외부 층의 경우 이 경향이 반전됩니다. 투명 잉크가 구리 경로를, 검정 잉크가 구리가 제거될 영역을 나타냅니다.
각 PCB 층과 해당 솔더 마스크마다 별도 필름이 필요하므로, 단순한 2층 PCB에도 4장(층 2장 + 솔더 마스크 2장)이 필요합니다.
필름 인쇄 후 정렬하여 등록 구멍(registration hole)을 뚫습니다. 이 구멍은 이후 공정에서 필름 정렬 가이드로 사용됩니다.
4단계에서 제조사가 실제 PCB 제작을 시작합니다. PCB 설계를 라미네이트 소재에 인쇄한 후, 같은 라미네이트에 구리를 프리본딩합니다. 이는 PCB 구조의 기반이 됩니다. 이후 구리를 에칭하여 앞서 만든 청사진을 드러냅니다.
다음으로 라미네이트 패널을 포토레지스트(photoresist)라는 감광 필름으로 덮습니다. 포토레지스트는 UV 광 노출 시 경화되는 포토리액티브 화학 물질 층으로 구성됩니다. 이를 통해 청사진 포토와 포토레지스트에 인쇄된 패턴을 완벽하게 매칭할 수 있습니다.
포토레지스트와 라미네이트를 등록 구멍을 이용해 정렬한 후 UV 광을 조사합니다. UV 광은 필름의 투명 부분을 통과하여 포토레지스트를 경화시킵니다. 이는 경로로 유지될 구리 영역을 나타냅니다. 반면 검정 잉크는 빛을 차단하여 경화되지 않은 영역은 나중에 제거할 수 있게 합니다.
보드 준비가 완료되면 알칼리 용액으로 세척하여 남은 포토레지스트를 제거합니다. 이후 고압 세척으로 표면 잔여물을 제거하고 건조시킵니다.
건조 후 PCB에 남아야 할 포토레지스트는 최종적으로 회로에 남을 구리 위에만 있어야 합니다. 기술자가 오류 여부를 검사하고, 문제가 없으면 다음 단계로 진행합니다.
PCB의 코어나 내부 층에서 불필요한 구리를 제거해야 공정을 계속할 수 있습니다. 에칭은 보드 상의 필요한 구리를 덮고 나머지 부분을 화학약품에 노출시키는 과정입니다. 화학적 에칭 공정으로 보호되지 않은 구리를 모두 제거하여 보드에 필요한 양만 남깁니다.
이 단계는 시간이나 구리 에칭 용제 사용량에서 차이가 날 수 있습니다. 대형 PCB나 무거운 구조의 경우 더 많은 구리를 사용하므로 제거할 구리도 많아져 추가 시간이나 용제가 필요합니다.
다층 PCB는 설계의 추가 층을 고려한 추가 공정 단계가 있습니다. 이 단계들은 단일 층 PCB 공정과 유사하지만, 각 층마다 반복됩니다. 또한 다층 PCB에서는 층 사이에 구리 코팅 대신 구리 포일을 주로 사용합니다.
내부 층 이미징은 PCB 설계 인쇄와 같은 절차를 따릅니다. 설계를 플로터 프린터로 인쇄해 필름을 만들고, 내부 층용 솔더 마스크도 출력합니다. 정렬 후 등록 구멍을 뚫어 나중에 층과 필름이 정확히 정렬되도록 합니다.
내부 층 라미네이트 소재에 구리를 추가한 후, 인쇄된 필름을 라미네이트 위에 놓고 등록 구멍으로 정렬합니다.
UV 광으로 필름(레지스트)을 노광하여 밝은 영역의 화학 물질을 인쇄 패턴으로 경화시킵니다. 경화된 영역은 에칭 단계에서 씻겨 나가지 않으며, 어두운 필름 아래 경화되지 않은 영역의 구리는 제거됩니다.
이미징 후 흰색 잉크로 덮인 영역이 경화됩니다. 이 경화 물질은 에칭 후 보드에 남을 구리를 보호합니다.
기술자는 알칼리로 보드를 세척하여 경화되지 않은 레지스트를 제거합니다. 이 세척으로 PCB의 비전도성 부분을 덮었던 영역이 노출됩니다. 다음으로 작업자가 보드를 구리 용제에 담가 노출된 구리를 용해시켜 제거합니다.
레지스트 스트리핑 단계에서는 PCB 내부 층 구리를 덮고 있는 남은 레지스트를 제거합니다. 남은 레지스트를 깨끗이 제거하여 구리의 전도성을 방해하는 요소가 없도록 합니다. 레지스트 제거 후 해당 층은 기본 설계 검사 단계로 넘어갑니다.
포스트 에칭 펀치는 등록 구멍을 가이드로 층을 정렬하고 구멍을 뚫는 과정입니다. 이후 이 구멍과 정렬 검사는 컴퓨터가 광학 펀치(optical punch)라는 기계를 정확히 제어하여 수행합니다. 광학 펀치 후 층은 내부 층 자동 광학 검사(AOI)로 이동합니다.
내부 층 자동 광학 검사는 컴퓨터를 이용해 내부 층을 면밀히 검사하여 불완전한 패턴이나 표면에 남은 레지스트가 없는지 확인합니다. PCB 층이 AOI를 통과하면 공정 다음 단계로 진행됩니다.
내부 층에 옥사이드를 처리하면 내부 층과 외부 층 사이의 구리 포일과 절연 에폭시 수지 층의 본딩이 향상됩니다.
다층 PCB 제작에서 레이업 단계는 기계가 층을 정렬, 가열, 본딩하여 내부 층과 외부 층 사이에 구리 포일 층과 절연 소재를 넣는 과정입니다. 일반적으로 컴퓨터가 이 기계를 제어하는데, 층 정렬과 본딩이 정확해야 PCB 구조가 올바르게 형성되기 때문입니다.
라미네이션은 열과 압력을 이용해 층 사이의 본딩 에폭시를 녹이는 과정입니다. 제대로 라미네이션된 PCB는 층을 단단히 결합하고 층 간 효과적인 절연을 유지합니다.
라미네이션 후 다층 보드 드릴링 시 X-레이로 드릴 비트 정렬을 확인합니다. 이 구멍들은 다층 PCB의 층 간 연결을 가능하게 하므로, 나머지 층 및 다른 층과의 상대적 위치와 크기 정확도가 매우 중요합니다. 층의 X-레이 정렬 후 PCB는 드릴링 단계로 넘어가며, 단면/양면 PCB 제작의 9단계부터 이어집니다.
PCB의 각 층이 세척되면 층 정렬과 광학 검사 준비가 완료됩니다. 앞서 뚫은 구멍을 이용해 내부 층과 외부 층을 정렬합니다. 광학 펀치라는 펀치 기계에 층을 올려 핀을 구멍으로 내려 층을 정렬합니다.
광학 펀치 후 또 다른 기계가 광학 검사를 수행하여 결함이 없는지 확인합니다. 이 AOI는 매우 중요한데, 층이 합쳐진 후에는 존재하는 오류를 수정할 수 없기 때문입니다. 결함 여부 확인을 위해 AOI 기계는 익스텐디드 거버 설계를 제조사의 모델로 삼아 PCB와 비교합니다.
기술자와 AOI 기계 모두 결함을 발견하지 못하면 PCB는 제조 공정의 마지막 몇 단계로 넘어갑니다.
AOI 단계는 PCB 동작에 필수적입니다. 단락, 설계 사양 미충족, 에칭 중 제거되지 않은 여분의 구리 등이 있는 보드가 공정 후반으로 넘어가는 것을 방지합니다. AOI는 생산 공정 중반의 품질 체크포인트 역할을 합니다. 이후 엔지니어가 외부 층 이미징과 에칭을 완료하면 이 과정을 외부 층에도 반복합니다.
6단계에서 PCB 층이 모두 모여 라미네이션 대기 상태입니다. 층이 결함 없는 것으로 확인되면 융합 준비가 된 것입니다. PCB 라미네이션 공정은 레이업 단계와 라미네이팅 단계 두 단계로 이루어집니다.
PCB 외부는 에폭시 수지로 프리-함침/프리-코팅된 유리섬유 조각들로 구성됩니다. 원래 기판 조각도 얇은 구리 포일 층으로 덮여 있으며, 여기에 구리 트레이스용 에칭이 되어 있습니다. 외부 층과 내부 층이 준비되면 이들을 합칩니다.
이 층들의 샌드위칭은 특수 프레스 테이블의 금속 클램프로 수행합니다. 각 층은 특수 핀을 이용해 테이블에 고정됩니다. 라미네이션 기술자는 먼저 프리-임프레그네이티드(pre-impregnated) 또는 프리프레그(prepreg)로 알려진 프리-코팅 에폭시 수지 층을 테이블의 정렬 베이스에 놓습니다. 그 위에 기판 층을 놓고, 그 위에 구리 포일 층을 올립니다. 구리 포일 위에는 프리프레그 시트를 더 올리고, 마지막으로 프레스 플레이트(press plate)라 불리는 구리 조각으로 마무리합니다.
구리 프레스 플레이트가 제자리에 놓이면 스택을 프레싱할 준비가 됩니다. 기술자를 기계 프레스로 옮겨 층을 아래로 눌러 결합합니다. 이 과정에서 핀을 층 스택 아래로 내려 층이 제대로 고정되도록 합니다.
층이 제대로 고정되면 PCB 스택을 다음 프레스인 라미네이팅 프레스로 옮깁니다. 라미네이팅 프레스는 한 쌍의 가열 플레이트를 사용해 스택에 열과 압력을 동시에 가합니다. 플레이트의 열로 프리프레그 내부의 에폭시가 녹고, 프레스의 압력과 결합하여 PCB 층 스택을 융합시킵니다.
PCB 층이 눌러 결합되면 약간의 언패킹이 필요합니다. 기술자는 상단 프레스 플레이트와 앞서 사용한 핀을 제거하여 실제 PCB를 꺼낼 수 있게 합니다.
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드릴링 전 X-레이 기계로 드릴 위치를 파악합니다. 그런 다음 등록/가이드 구멍을 뚫어 PCB 스택을 고정한 후 더 구체적인 구멍들을 뚫습니다. 구멍 뚫기 시 컴퓨터 제어 드릴을 사용하며, 익스텐디드 거버 설계 파일을 가이드로 삼습니다.
드릴링 완료 후 가장자리의 남은 구리를 파일로 제거합니다.
패널 드릴링 완료 후 도금 준비가 됩니다. 도금 공정은 화학약품을 사용해 PCB의 모든 층을 융합합니다. 철저한 세척 후 PCB를 일련의 화학약품에 담급니다. 이 공정의 일부로 패널에 마이크론 두께의 구리 층을 코팅하는데, 이는 최상위 층과 방금 뚫은 구멍 내부에 증착됩니다.
구리로 채워지기 전 구멍들은 단순히 패널 내부를 구성하는 유리섬유 기판을 노출시킬 뿐입니다. 이 구멍들을 구리로 욕처리하면 이전에 뚫린 구멍의 벽면이 구리로 덮입니다.
앞서 4단계에서 PCB 패널에 포토레지스트를 도포했습니다. 11단계에서는 또 다른 포토레지스트 층을 도포합니다. 다만 이번에는 외부 층에만 도포하는데, 외부 층이 아직 이미징이 필요하기 때문입니다. 외부 층에 포토레지스트를 도포하고 이미징한 후, 이전 단계에서 내부 층을 도금한 것과 똑같은 방식으로 도금합니다. 단, 외부 층에는 외부 층 구리를 보호하기 위해 주석 도금을 추가로 합니다.
마지막으로 외부 층을 에칭할 때 주석 가드가 에칭 공정 중 구리를 보호하는 데 도움을 줍니다. 앞서 사용한 같은 구리 용제로 불필요한 구리를 제거하며, 주석이 에칭 영역의 소중한 구리를 보호합니다.
내부 층과 외부 층 에칭의 주요 차이점 중 하나는 제거가 필요한 영역입니다. 내부 층은 전도성 영역에 검정 잉크, 비전도성 표면에 투명 잉크를 사용하는 반면, 외부 층은 이 잉크가 반전됩니다. 따라서 비전도성 층에 검정 잉크가, 구리에 밝은 잉크가 도포됩니다. 이 밝은 잉크로 주석 도금이 구리를 덮고 보호할 수 있게 됩니다. 엔지니어는 불필요한 구리와 남은 레지스트 코팅을 에칭 과정에서 제거하여 외부 층을 AOI와 솔더 마스킹 준비 상태로 만듭니다.
내부 층과 마찬가지로 외부 층도 자동 광학 검사를 거쳐야 합니다. 이 광학 검사는 층이 설계의 정확한 요건을 충족하는지 확인합니다. 또한 이전 단계에서 층의 모든 여분 구리가 제거되어 잘못된 전기 연결을 만들지 않는 제대로 작동하는 PCB가 만들어졌는지 검증합니다.
솔더 마스크 도포 전 패널을 철저히 세척합니다. 깨끗해진 패널 표면에 잉크 에폭시와 솔더 마스크 필름을 덮습니다. 다음으로 UV 광을 조사하여 솔더 마스크를 제거해야 할 위치를 표시합니다.
기술자가 솔더 마스크를 제거하면 회로 기판을 오븐에 넣어 마스크를 경화시킵니다. 이 마스크는 보드 구리에 부식과 산화로 인한 손상으로부터 추가 보호를 제공합니다.
PCB에는 보드 표면에 직접 정보가 인쇄되어야 하므로, 제작자는 실크스크린 인쇄 또는 범례 인쇄라 불리는 공정으로 필수 데이터를 보드 표면에 인쇄합니다. 이 정보에는 다음이 포함됩니다:
위 정보를 인쇄한 후, 보통 잉크젯 프린터로 인쇄하며, PCB에 표면 처리를 적용합니다. 이후 테스트, 커팅, 검사 단계로 이어집니다.
PCB 피니싱은 다음과 같은 전도성 소재로 도금하는 과정입니다:
올바른 소재 선택은 설계 사양과 고객 예산에 따라 달라집니다. 그러나 이러한 피니시 적용은 PCB에 필수적인 특성을 부여합니다. 피니시는 조립자가 전자 부품을 실장할 수 있게 하며, 금속은 공기 노출로 인한 구리 산화를 방지합니다.
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PCB 코팅 및 경화(필요 시) 완료 후, 기술자는 PCB의 여러 영역에 일련의 전기 테스트를 수행하여 기능을 검증합니다. 전기 테스트는 IPC-9252 표준(비실장 인쇄 보드 전기 테스트 지침 및 요건)을 준수해야 합니다. 주요 테스트는 회로 연속성 테스트와 절연 테스트입니다. 회로 연속성 테스트는 PCB의 단선('opens')을 검사합니다. 반면 절연 테스트는 PCB 각 부분의 절연 값을 검사하여 단락(shorts) 여부를 확인합니다. 전기 테스트는 주로 기능 보장을 목적으로 하지만, 초기 PCB 설계가 제조 공정을 얼마나 잘 견뎌냈는지를 테스트하는 역할도 합니다.
기본 전기 신뢰성 테스트 외에도 PCB 기능 여부를 판단하는 다른 테스트가 있습니다. 대표적인 것이 '베드 오브 네일즈(bed of nails)' 테스트입니다. 이 테스트에서 여러 스프링 픽스처를 회로 기판의 테스트 포인트에 부착합니다. 스프링 픽스처가 테스트 포인트에 최대 200g의 압력을 가해 PCB가 테스트 포인트에서 고압 접촉을 얼마나 잘 견디는지 확인합니다.
PCB가 전기 신뢰성 테스트(및 제조사가 선택한 기타 테스트)를 통과하면 다음 단계인 라우트 아웃 및 검사로 넘어갑니다.
프로파일링은 제작 엔지니어가 제작 보드에서 잘려나갈 개별 PCB의 모양과 크기를 식별하는 과정입니다. 이 정보는 일반적으로 설계의 거버 파일에 들어 있습니다. 이 프로파일링 단계는 라우터가 제작 보드의 어디에 스코어를 만들어야 할지 프로그래밍하여 라우트 아웃 공정을 안내합니다.
라우트 아웃(스코어링)은 보드 분리를 쉽게 합니다. 라우터나 CNC 기계가 보드 가장자리를 따라 여러 작은 조각을 만듭니다. 이 가장자리 덕분에 보드가 손상 없이 빠르게 분리될 수 있습니다.
일부 제작자는 V-그루브를 사용하기도 합니다. 이 기계는 보드 측면을 따라 V자형 컷을 만듭니다.
두 옵션 모두 보드 갈라짐 없이 깨끗하게 분리할 수 있게 합니다. 보드 스코어링 후 제작자는 보드를 제작 보드에서 분리하여 다음 단계로 보냅니다.
스코어링과 보드 분리 후, PCB는 포장 및 출하 전 최종 검사를 거쳐야 합니다. 이 최종 검사는 보드 구조의 여러 측면을 검증합니다:
PCB 제조의 마지막 단계는 포장 및 출하입니다. 포장은 일반적으로 PCB를 밀봉하여 먼지와 이물질 유입을 차단하는 소재를 사용합니다. 밀봉된 보드는 운송 중 손상을 방지하는 컨테이너에 담깁니다. 마지막으로 고객에게 출하됩니다.
종종 PCB 제조의 설계와 제작 공정은 서로 다른 주체가 담당합니다. 많은 경우 계약 제조사(CM)가 원청 제조사(OEM)의 설계를 바탕으로 PCB를 제작합니다. 부품, 설계 고려사항, 파일 포맷, 보드 소재 등에 대한 이 두 그룹 간의 협업은 효과적인 공정과 단계 간 원활한 전환을 보장합니다.
설계자는 제작사와 가용 부품에 대해 협의해야 합니다. 이상적으로 제작사는 설계에 필요한 모든 부품을 보유하고 있어야 합니다. 부족한 부품이 있으면 설계자와 제작사가 타협하여 더 빠른 제조를 도모하면서도 최소 설계 사양을 충족해야 합니다.
제조 가능성 설계는 설계가 제작 공정의 여러 단계를 얼마나 잘 통과할 수 있는지를 고려합니다. 보통 제작사(CM)가 자사 시설에 대한 DFM 가이드라인을 보유하고 있으며, OEM이 설계 단계에서 이를 참조할 수 있습니다. 설계자는 이러한 DFM 가이드라인을 요청하여 자사 PCB 설계를 제작사의 생산 공정에 맞게 조정할 수 있습니다.
OEM과 CM 간의 소통은 PCB가 OEM 설계 사양대로 완전히 제작되도록 하는 데 필수적입니다. 양측은 설계에 동일한 파일 포맷을 사용해야 합니다. 이렇게 하면 파일을 포맷 변환해야 할 때 발생할 수 있는 오류나 정보 손실을 방지할 수 있습니다.
OEM이 CM이 예상하는 것보다 더 비싼 소재로 PCB를 설계할 수 있습니다. 양측은 보유한 소재와 PCB 설계에 가장 적합하면서도 최종 구매자에게 비용 효율적인 소재에 합의해야 합니다.
고품질 PCB 엔지니어링과 제조는 전자 기기 내 회로 기판 동작의 핵심 요소입니다. 공정의 복잡성과 각 단계가 왜 필요한지 이해하면 각 PCB에 들어가는 비용과 노력을 더 잘 이해할 수 있습니다.
귀사에 어떤 업무용 PCB가 필요하든, 밀레니엄 서키츠 리미티드(Millennium Circuits Limited)에 문의하세요. 우리는 소량부터 대량까지 경쟁력 있는 가격의 고품질 PCB를 고객에게 공급하고자 노력합니다.
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산업기술
회로는 전기 세계의 인프라입니다. 하지만 대부분 사람들이 와이어나 케이블로 연결된 전통 회로를 본 게 물리 수업 때가 마지막일 겁니다. 그 이유가 바로 PCB입니다. 1. PCB란 무엇인가? PCB는 인쇄회로기판(Printed Circuit Board)의 약자입니다. 비전도성 기판 시트 층 사이에 구리 층을 한 층 이상 적층하고 에칭해 만듭니다. 저항, 커패시터 등 회로의 다른 부품은 일반적으로 PCB에 납땜됩니다. 즉, PCB가 회로에서 와이어나 케이블의 역할을 대체해, 지저분하고 공간을 많이 차지하던 배선이 더 이상 필요 없습니
2013년 7월 24일 현대 전자 기기의 능력은 인쇄 회로 기판(PCB)의 발명과 최적화 덕분에 극적으로 확장되었습니다. 구상 초기 단계에서 인쇄 회로 기판은 1903년 독일 발명가 알버트 한슨(Albert Hanson)에 의해 평평한 포일 도체가 절연 보드에 다층으로 적층된 형태로 상상되었습니다. 전도성 경로를 비전도성 보드에 부착하여 전자 부품을 연결한다는 발상은 무수한 엔지니어링 가능성의 문을 열었습니다. 토마스 에디슨(Thomas Edison) 같은 다른 발명가들도 이를 이해했고, 이듬해 화학적 접근으로 리넨 종이에 도체를
